DE102009048384A1 - Miniaturized online trace analysis - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters (2), umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Substrats (1), welches vorzugsweise kreisscheibenförmig ist und besonders bevorzugt ein Silizium-Wafer ist, Aufbringen einer Ätzmaske, die einen zu ätzenden, zumindest abschnittsweise gekrümmten, vorzugsweise spiralförmigen Mikrokanal (2) definiert, und Einwirken eines Ätzmediums (14) mit einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit, wobei das Ätzmedium (14) vorzugsweise im Wesentlichen in Richtung des zu ätzenden Mikrokanals (2) strömt.The invention relates to a method for producing a device for forming a liquid optical waveguide (2), comprising the steps: providing a substrate (1), which is preferably in the form of a circular disk and is particularly preferably a silicon wafer, applying an etching mask that contains a substrate to be etched, Defined at least partially curved, preferably spiral-shaped microchannel (2), and the action of an etching medium (14) at a uniform flow velocity, the etching medium (14) preferably flowing essentially in the direction of the microchannel (2) to be etched.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spektroskopischen Messung von in Flüssigkeiten gelösten Substanzen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device and a method for the spectroscopic measurement of substances dissolved in liquids. The invention further relates to a method for producing such a device.
In der Umweltanalytik, insbesondere in der Wasseranalytik, spielt der Nachweis und die Messung von in geringen Konzentrationen in Flüssigkeiten gelösten Stoffen eine große Rolle. Hierzu sind verschiedene spektroskopische Verfahren wie Absorption, Transmission, Fluoreszenz und Raman bekannt. Dazu werden Flüssigkeiten beispielsweise in Küvetten oder Zellen analysiert, die aus optisch transparentem, lichtleitendem Material, beispielsweise Quarzglas, bestehen. Um die Nachweisgrenze der nachzuweisenden Substanzen herabzusetzen ist es bekannt, möglichst lange Lichtwege innerhalb der Flüssigkeit, in der die nachzuweisende Substanz gelöst ist, zu realisieren. Dazu werden beispielsweise langgestreckte Küvetten, Kapillaren oder auch Flüssigkeitslichtwellenleiter eingesetzt, in welchen die Lichtverluste die entlang des langen Lichtwegs auftreten durch eine total reflektierende Innen- oder Außenbeschichtung vermindert werden. Dabei muss der Brechungsindex der total reflektierenden Beschichtung kleiner sein als der Brechungsindex der Flüssigkeit, zumeist Wasser, in dem Flüssigkeitslichtwellenleiter. Wasser besitzt einen Brechungsindex von n = 1,33. Zur Ausbildung eines Flüssigkeitswellenleiters für wässrige Lösungen kommen daher Innenbeschichtungen aus amorphen, fluorierten Polymeren wie beispielsweise Teflon AF 1600 oder Teflon AF 2400 mit Brechungsindizes von 1,29 bzw. 1,31 oder auch anorganische Schichtmaterialien, wie nano-poröse Silica-Filme und Siliziumdioxide mit Brechungsindizes bis herab zu 1,18 oder Magnesiumfluorid-Magnesiumoxidhydroxid-Mischschichten mit Brechungsindizes bis herab zu 1,09 in Frage. Die genannten Brechungsindizes beziehen sich auf die Wellenlänge der Natrium-D-Linie.In environmental analysis, in particular in water analysis, the detection and measurement of substances dissolved in low concentrations in liquids plays a major role. For this purpose, various spectroscopic methods such as absorption, transmission, fluorescence and Raman are known. For this purpose, liquids are analyzed, for example, in cuvettes or cells which consist of optically transparent, light-conducting material, for example quartz glass. In order to reduce the detection limit of the substances to be detected, it is known to realize the longest possible light paths within the liquid in which the substance to be detected is dissolved. For this example, elongated cuvettes, capillaries or liquid optical waveguides are used in which the light losses occurring along the long path of light are reduced by a totally reflective inner or outer coating. In this case, the refractive index of the totally reflective coating must be smaller than the refractive index of the liquid, usually water, in the liquid optical waveguide. Water has a refractive index of n = 1.33. To form a liquid waveguide for aqueous solutions are therefore internal coatings of amorphous fluorinated polymers such as Teflon AF 1600 or Teflon AF 2400 with refractive indices of 1.29 and 1.31 or inorganic layer materials such as nano-porous silica films and silica with Refractive indices down to 1.18 or magnesium fluoride-magnesium oxide hydroxide mixed layers with refractive indices down to 1.09 in question. The refractive indices refer to the wavelength of the sodium D line.
Zur Realisierung der oben angesprochenen langen Lichtwege werden typischerweise Flüssigkeitslichtwellenleiter mit Längen im Bereich von mehreren Metern eingesetzt. Dies führt zu erheblichen Abmessungen der resultierenden Nachweisapparatur, was zur Folge hat, dass die beabsichtigten Nachweismessungen häufig nur im Labor durchgeführt werden können, wohingegen ein zeitnaher Nachweis solcher Spurenstoffe vor Ort beispielsweise direkt an einem zu untersuchenden Gewässer wünschenswert ist. Durch die Abmessungen bekannter Vorrichtungen wird ein solcher Vor-Ort-Einsatz jedoch verhindert oder zumindest erheblich erschwert.Liquid optical waveguides with lengths in the range of several meters are typically used to realize the above-mentioned long light paths. This leads to considerable dimensions of the resulting detection apparatus, with the result that the intended detection measurements can often only be carried out in the laboratory, whereas a timely detection of such trace substances on site, for example directly on a water to be examined is desirable. Due to the dimensions of known devices, however, such on-site use is prevented or at least considerably more difficult.
Alternative Messmethoden, die keine langen Lichtwege erfordern, wie beispielsweise Atomabsorptionsspektroskopie (AAS), die Verwendung eines induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer (ICPMS) und Ionenchromatographie bedingen ebenfalls sehr große und kostenintensive Geräte.Alternative measurement methods that do not require long optical paths, such as atomic absorption spectroscopy (AAS), the use of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS), and ion chromatography also require very large and costly devices.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine miniaturisierte Messvorrichtung anzugeben, die dennoch einen langen Lichtweg innerhalb der zu untersuchenden Flüssigkeit schafft, ein Herstellungsverfahren für eine solche Messvorrichtung sowie ein entsprechendes Messverfahren.The object of the present invention is to provide a miniaturized measuring device which nevertheless provides a long light path within the liquid to be examined, a production method for such a measuring device and a corresponding measuring method.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Flüssigkeitslichtwellenleiter entgegen den bisher bekannten Ausgestaltungen, keinen kreisförmigen Querschnitt besitzen muss, wobei der Querschnitt die Fläche des mit Flüssigkeit zu befüllenden Hohlraums ist, die sich bei einem Schnitt senkrecht zur Längsrichtung des Flüssigkeitslichtwellenleiters ergibt. Mit anderen Worten findet eine Lichtleitung auch statt, wenn der Querschnitt des Flüssigkeitslichtwellenleiters von der bekannten Kreisform abweicht. Auf dieser Erkenntnis aufbauend ist die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee, den Flüssigkeitslichtwellenleiter nicht als selbsttragendes Element vorzusehen, sondern als geschlossenen Mikrokanal auf einem geeigneten Substrat. Ein selbsttragender Flüssigkeitslichtwellenleiter im Sinne der vorliegenden Schrift ist ein langgestreckter Hohlkörper, der im Innern zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters beschichtet ist und aus einem Material besteht, das mechanisch ausreichend stabil ist, so dass keine weiteren Element zur Stabilisation notwendig sind. Ein solcher selbsttragender Flüssigkeitslichtwellenleiter braucht nur an einzelnen, beabstandeten Punkten gehaltert werden.The invention is based on the finding that a liquid optical waveguide, contrary to the previously known embodiments, does not have to have a circular cross section, wherein the cross section is the area of the cavity to be filled with liquid, which results in a section perpendicular to the longitudinal direction of the liquid optical waveguide. In other words, a light pipe also takes place when the cross section of the liquid optical waveguide deviates from the known circular shape. Building on this knowledge, the idea underlying the present invention is not to provide the liquid optical waveguide as a self-supporting element, but rather as a closed microchannel on a suitable substrate. A self-supporting liquid optical waveguide in the context of the present specification is an elongate hollow body which is coated internally to form a liquid optical waveguide and consists of a material which is sufficiently stable mechanically, so that no further element for stabilization is necessary. Such a self-supporting liquid optical waveguide need only be supported at individual, spaced points.
Entsprechend umfasst die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters. Letztere umfasst ein Substrat mit einem zumindest abschnittsweise gekrümmten Mikrokanal. Der Mikrokanal bildet nach entsprechender Auskleidung mit einer niedrigbrechenden Beschichtung, nach Vorsehen einer geeigneten Abdeckung und nach dem Befüllen mit Flüssigkeit den Flüssigkeitslichtwellenleiter. Durch das zumindest abschnittsweise gekrümmte Ausbilden des Mikrokanals wird ein entsprechend gekrümmter Flüssigkeitslichtwellenleiter auf dem Substrat realisiert. Dadurch ist die Länge des Flüssigkeitslichtwellenleiters nicht durch die äußeren Abmessungen des Substrats beschränkt, wie dies bei geradlinigen Mikrokanälen der Fall ist. Vielmehr kann der Mikrokanal beispielsweise mit einer Vielzahl von Schleifen oder Windungen auf der Substratoberfläche vorgesehen sein, so dass auch bei kleinen Abmessungen des Substrats ein langer Mikrokanal und somit ein entsprechend langer Flüssigkeitslichtwellenleiter realisiert werden kann.Accordingly, the measuring device according to the invention comprises a device for forming a liquid optical waveguide. The latter comprises a substrate with an at least partially curved microchannel. The microchannel forms the liquid optical waveguide after appropriate lining with a low-refractive coating, after providing a suitable cover and after filling with liquid. Due to the at least partially curved formation of the microchannel, a correspondingly curved liquid optical waveguide is realized on the substrate. As a result, the length of the liquid optical waveguide is not limited by the outer dimensions of the substrate, as is the case with straight-line microchannels. Rather, the microchannel may be provided with a plurality of loops or windings on the substrate surface, for example, so that a long microchannel and thus a correspondingly long liquid optical waveguide can be realized even with small dimensions of the substrate.
Ein solcher Mikrokanal kann prinzipiell mit verschiedenen Verfahren in einem Substrat vorgesehen sein, beispielsweise durch Verprägen von Polymeren, wie Polycarbonat, oder Fräsen. Erfindungsgemäß wird der Mikrokanal in das Substrat durch Ätzen, vorzugsweise nasschemisches Ätzen, eingebracht. Dazu wird in einem ersten Schritt ein geeignetes Substrat bereitgestellt. Da die Lichtleitung innerhalb des zu schaffenden Flüssigkeitslichtwellenleiters überwiegend von der noch aufzubringenden Beschichtung abhängt und somit das Substrat eine untergeordnete Rolle für die Lichtleitung spielt, kommen prinzipiell eine Vielzahl von Substraten für die erfindungsgemäße Vorrichtung in Frage. In dem Flüssigkeitslichtwellenleiter treten jedoch beim Befüllen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit und gegebenenfalls auch während der Messung hohe Drücke auf, die in der Größenordnung von mehreren bar liegen können. Daher wird bevorzugt ein Substrat bereitgestellt, das eine entsprechend ausreichende mechanische Stabilität besitzt. Als Materialien für das Substrat kommen daher insbesondere Quarzglas, Borosilikat-Gläser wie Pyrex-Glas, Natron-Kalk-Glas, verschiedene Polycarbonate und besonders bevorzugt Silizium, beispielsweise ein Silizium-Wafer, in Frage. Such a microchannel can in principle be provided with various methods in a substrate, for example by embossing polymers, such as polycarbonate, or milling. According to the invention, the microchannel is introduced into the substrate by etching, preferably wet-chemical etching. For this purpose, a suitable substrate is provided in a first step. Since the light pipe within the liquid optical waveguide to be created depends predominantly on the coating still to be applied and thus the substrate plays a subordinate role for the light pipe, in principle a large number of substrates are suitable for the apparatus according to the invention. In the liquid optical waveguide, however, high pressures occur during the filling with the liquid to be examined and optionally also during the measurement, which may be on the order of several bars. Therefore, it is preferable to provide a substrate having a correspondingly sufficient mechanical stability. Quartz glass, borosilicate glasses such as Pyrex glass, soda lime glass, various polycarbonates and particularly preferably silicon, for example a silicon wafer, are therefore suitable as materials for the substrate.
In einem weiteren Schritt wird auf beispielsweise lithographischem Wege eine Ätzmaske auf die Substratoberfläche aufgebracht, die den auszubildenden Mikrokanal definiert. Dabei ist das Material der Ätzmaske auf das Ätzmedium und das Substrat abgestimmt. Zum Ätzen eines Silizium-Substrats in einem sauren Milieu eignet sich beispielsweise Nitrid als Material für die ÄtzmaskeIn a further step, an etching mask is applied to the substrate surface, for example lithographically, which defines the microchannel to be formed. In this case, the material of the etching mask is matched to the etching medium and the substrate. For etching a silicon substrate in an acidic environment, for example, nitride is suitable as a material for the etching mask
In einem weiteren Schritt wirkt das Ätzmedium auf das Substrat an den durch die Ätzmaske vorgegebenen Stellen ein. Das Ätzmedium ist gasförmig oder flüssig und strömt während des Ätzschritts mit einer gleichmäßigen Störungsgeschwindigkeit auf der zu ätzenden Oberfläche des Substrats. Mit anderen Worten bleibt die Strömungsgeschwindigkeit während des Ätzschritts an jeder Stelle der Oberfläche des Substrats zeitlich konstant, wobei an verschiedenen Stellen des Substrats unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten auftreten können. Dadurch wird eine hohe Reproduzierbarkeit des geätzten Mikrokanals erreicht. Das erfindungsgemäße Herstellen des Mikrokanals mittels Ätzen hat im Vergleich zu gefrästen oder geprägten Mikrokanälen den Vorteil, dass dadurch in dem Mikrokanal Oberflächen hoher Güte, das heißt glatte Oberflächen mit geringer Oberflächenrauhigkeit, geschaffen werden, wodurch die Lichtleitung in dem zu schaffenden Flüssigkeitslichtwellenleiter verbessert wird.In a further step, the etching medium acts on the substrate at the locations predetermined by the etching mask. The etching medium is gaseous or liquid and flows at a uniform perturbation rate on the surface of the substrate to be etched during the etching step. In other words, the flow rate during the etching step remains constant over time at each point of the surface of the substrate, wherein different flow velocities can occur at different locations of the substrate. As a result, a high reproducibility of the etched microchannel is achieved. The manufacture of the microchannel according to the invention by means of etching has the advantage, in comparison with milled or embossed microchannels, that surfaces of high quality, that is smooth surfaces with low surface roughness, are created in the microchannel, whereby the light conduction in the liquid optical waveguide to be created is improved.
Vorzugsweise ist die Ätzung in dem Substrat isotrop, das heißt die Ätzgeschwindigkeit ist in allen Raumrichtungen im Wesentlichen gleich und beispielsweise von den Kristallebenen in einem Silizium-Wafer unabhängig. Dadurch kann wegen der gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit des Ätzmediums vorteilhafterweise ein Mikrokanal mit einem im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt geschaffen werden, dessen Tiefe gleich oder nur geringfügig kleiner als die Hälfte dessen Breite ist. Dabei ist die Tiefe des Mikrokanals der Abstand zwischen der Ebene der Substratoberfläche und der tiefsten Stelle des Mikrokanals an einer Schnittlinie, die senkrecht zu der Längsrichtung des Mikrokanals verläuft. Die Tiefe wird entlang der Flächennormalen der Substratoberfläche gemessen. Die Breite des Mikrokanals ist der Abstand der Schnittpunkte der Innenwände des Mikrokanals mit der Substratoberfläche entlang einer Schnittlinie, die senkrecht zu der Längsrichtung des Mikrokanals verläuft. Die Breite wird in der Ebene der Substratoberfläche gemessen. Das Verhältnis zwischen Breite und Tiefe des geätzten Mikrokanals, das heißt das Aspektverhältnis des Mikrokanals kann durch die Strömungsgeschwindigkeit des Ätzmediums gezielt beeinflusst werden. Ein solcher halbkreisförmiger Mikrokanal ist zum einen vorteilhaft für die Lichtleitung in dem späteren Flüssigkeitslichtwellenleiter und gestattet zum anderen die Realisierung einer einfachen axialen Ein- und Auskopplung von Licht mittels eines Lichtwellenleiters. Der Mikrokanal hat vorzugsweise eine Tiefe im Bereich zwischen 50 und 500 μm, insbesondere 200, 250, 300, 400 oder 500 μm, wobei jeder der genannten Einzelwerte eine Bereichsgrenze des angegebenen Wertebereichs darstellen kann. Bei solchen Abmessungen des Mikrokanals kann in dem späteren Flüssigkeitslichtwellenleiter eine laminare Flüssigkeitsströmung in guter Näherung realisiert werden, das heißt, dass für die spektroskopische Untersuchung störende Turbulenzen in der Flüssigkeit vermieden werden. Weiterhin weist der Mikrokanal auch bei einer großen Kanallänge wegen des geringen Kanalquerschnitts ein insgesamt geringes Gesamtvolumen auf, wodurch die Mindestmenge einer zu untersuchenden Probenflüssigkeit klein ist. Die Kanallängen betragen vorzugsweise mehr als 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25 oder 30 Meter.Preferably, the etch in the substrate is isotropic, that is, the etch rate is substantially the same in all spatial directions, and is independent, for example, from the crystal planes in a silicon wafer. As a result, because of the uniform flow velocity of the etching medium, advantageously a microchannel with a substantially semicircular cross-section can be created whose depth is equal to or only slightly smaller than half its width. In this case, the depth of the microchannel is the distance between the plane of the substrate surface and the lowest point of the microchannel at a cutting line which is perpendicular to the longitudinal direction of the microchannel. The depth is measured along the surface normal of the substrate surface. The width of the microchannel is the distance of the intersections of the inner walls of the microchannel with the substrate surface along a cut line that is perpendicular to the longitudinal direction of the microchannel. The width is measured in the plane of the substrate surface. The ratio between the width and the depth of the etched microchannel, that is to say the aspect ratio of the microchannel, can be influenced in a targeted manner by the flow velocity of the etching medium. Such a semicircular microchannel is on the one hand advantageous for the light pipe in the later liquid optical waveguide and on the other hand allows the realization of a simple axial coupling and uncoupling of light by means of an optical waveguide. The microchannel preferably has a depth in the range between 50 and 500 .mu.m, in particular 200, 250, 300, 400 or 500 .mu.m, wherein each of said individual values can represent a range limit of the specified range of values. With such dimensions of the microchannel, a laminar liquid flow can be realized to a good approximation in the later liquid optical waveguide, that is to say that disturbing turbulences in the liquid are avoided for the spectroscopic examination. Furthermore, because of the small channel cross-section, the microchannel also has a total low volume, even with a large channel length, as a result of which the minimum quantity of a sample liquid to be examined is small. The channel lengths are preferably more than 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25 or 30 meters.
Bevorzugt strömt das Ätzmedium im Wesentlichen in Richtung des zu ätzenden Mikrokanals. Dadurch kann ein Mikrokanal mit halbkreisförmigem Querschnitt geschaffen werden, das heißt ein Mikrokanal dessen Breite und Tiefe im Wesentlichen identisch ist.Preferably, the etching medium flows substantially in the direction of the microchannel to be etched. As a result, a microchannel with a semicircular cross-section can be created, that is to say a microchannel whose width and depth are essentially identical.
Wird als Substrat ein Siliziumeinkristall, beispielsweise ein Silizium-Wafer, verwendet, so kann dieser prinzipiell mit einem sauren wie auch mit einem alkalischen Medium geätzt werden. Bei der Ätzung in einem alkalischen Milieu spielt jedoch die Kristallstruktur eine große Rolle und die Ätzform ist durch ausgezeichnete Kristallflächen ({111}-Ätzstopflächen) definiert. Somit ist mit einer Ätzung in einem alkalischen Milieu ein isotropes Ätzen nicht möglich, ebenso wie ein abschnittsweise gekrümmter Verlauf des Mikrokanals. In einem sauren Milieu ist die Ätzung dagegen weitgehend unabhängig von der Kristallstruktur. Somit kann eine isotrope Ätzung realisiert werden, die das Ausbilden eines zumindest im Wesentlichen halbkreisförmigen Mikrokanals gestattet, und auch der Verlauf des zumindest abschnittsweise gekrümmten Mikrokanals auf der Substratoberfläche kann beliebig, insbesondere unabhängig von der Kristallstruktur des Siliziumkristalls, gewählt werden.If a silicon monocrystal, for example a silicon wafer, is used as the substrate, then this can in principle be etched with an acid medium as well as with an alkaline medium. When etching in an alkaline medium, however, the crystal structure plays an important role and the etching form is defined by excellent crystal faces ({111} etch stop faces). Thus, with an etching in an alkaline medium, an isotropic etching is not possible, as well as a sectionally curved course of the microchannel. In an acidic environment, however, the etching is largely independent of the crystal structure. Thus, an isotropic etching can be realized, which allows the formation of an at least substantially semicircular microchannel, and also the course of the at least partially curved microchannel on the substrate surface can be chosen arbitrarily, in particular independently of the crystal structure of the silicon crystal.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist das zu ätzende Substrat kreisscheibenförmig ausgebildet, wie dies beispielsweise bei einem Silizium-Wafer der Fall ist. Wird während des Ätzschritts mittig, oberhalb der zu ätzenden Oberfläche des Substrats ein beiseitig konisch zulaufender Rührfisch oder eine diskusförmige Rührscheibe positioniert und rotiert, so kann dadurch auf einfache Art und Weise eine laminare, gleichmäßige und homogene Strömung des Ätzmediums auf der Oberfläche des zu ätzenden Substrats realisiert werden. Die Strömungsgeschwindigkeit ist vorzugsweise radial homogen, das heißt in zumindest einem gegebenen radialen Bereich auf der Substratoberfläche strömt das Ätzmedium in azimuthaler Richtung, so das die Stömungsgeschwindigkeit des Ätzmediums bei verschiedenen Radien identisch ist. Mit anderen Worten verhält sich die Rotationsgeschwindigkeit des Ätzmediums in dem gegebenen radialen Bereich indirekt proportional zum jeweiligen Radius. In diesem Zusammenhang bedeutet mittig, dass die Rotations- und Symmetrieachse des Rührfisches bzw. der Rührscheibe eine Flächennormale des kreischeibenförmigen Substrats ist und durch den Mittelpunkt des kreischeibenförmigen Substrats verläuft. Weiterhin verläuft der zu ätzende Mikrokanal auf einem solchen kreisscheibenförmigen Substrat vorzugsweise im Wesentlichen in azimuthaler Richtung bezüglich des Mittelpunkts des kreisscheibenförmigen Substrats. Dadurch wird mit der oben beschriebenen Rühranordnung während des Ätzschrittes eine laminare, gleichmäßige und radial homogene Strömung des Ätzmediums erzeugt, die im Wesentlichen in Richtung des zu ätzenden Mikrokanals geht. Der zu ätzende Mikrokanal ist vorzugsweise spiralförmig ausgebildet, wobei der Mittelpunkt der Spirale mit dem Mittelpunkt der Kreisscheibe zumindest im Wesentlichen zusammenfällt. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um eine Archimedes-Spirale, bei der der Radius des Spiralarmes, das heißt des Mikrokanals, proportional zu dem Azimuthalwinkel ist.In a preferred embodiment of the production method according to the invention, the substrate to be etched is circular disk-shaped, as is the case, for example, with a silicon wafer. If, during the etching step, a stirring conical or disc-shaped stirring disc that is tapered on both sides is positioned and rotated centrally above the surface of the substrate to be etched, this can in a simple manner result in a laminar, uniform and homogeneous flow of the etching medium on the surface of the substrate to be etched will be realized. The flow velocity is preferably radially homogeneous, that is, in at least one given radial region on the substrate surface, the etching medium flows in the azimuthal direction, so that the flow velocity of the etching medium is identical at different radii. In other words, the rotational speed of the etching medium in the given radial range is indirectly proportional to the respective radius. In this context, centered means that the axis of rotation and symmetry of the stirring fish or of the stirring disk is a surface normal of the circular disc-shaped substrate and extends through the center of the circular disc-shaped substrate. Furthermore, the microchannel to be etched on such a circular disk-shaped substrate preferably extends substantially in the azimuthal direction with respect to the center of the circular disk-shaped substrate. As a result, with the stirring arrangement described above during the etching step, a laminar, uniform and radially homogeneous flow of the etching medium is generated, which essentially goes in the direction of the microchannel to be etched. The microchannel to be etched is preferably formed spirally, wherein the center of the spiral at least substantially coincides with the center of the circular disc. This is particularly preferably an Archimedes spiral, in which the radius of the spiral arm, that is to say of the microchannel, is proportional to the azimuthal angle.
Im Sinne der vorliegenden Schrift wird mit dem Ausdruck ”spiralförmig” eine Form verstanden, die zumindest einen vollständigen Umlauf um einen Mittelpunkt aufweist und dessen Radius um diesen Mittelpunkt sich monoton, vorzugsweise proportional zum Azimuthalwinkel, verändert. Die bevorzugte spiralförmige Ausbildung des Mikrokanals hat den Vorteil, dass auf der Substratoberfläche eine Vielzahl eng benachbarter Windungen vorgesehen werden können. Bevorzugt haben benachbarte Windungen voneinander einen Abstand, zwischen 800 und 1500 μm, vorzugsweise 800, 900, 1000, 1200 oder 1500 μm. Somit kann ein großer Flächenanteil der Substratoberfläche für die Ausbildung des Mikrokanals vorgesehen werden, wodurch eine große Länge des Mikrokanals und ein entsprechend langer Lichtweg in dem zu schaffenden Flüssigkeitslichtwellenleiter realisiert werden kann. Zudem ändert sich die Krümmung des Mikrokanals, das heißt die Änderung der Längsrichtung entlang der Längsrichtung, kontinuierlich und monoton, vorzugsweise linear, wodurch der Krümmungsradius an jeder Stelle des Mikrokanals maximiert wird, kleine Krümmungsradien vermieden werden und somit der Strömungswiderstand für die Flüssigkeit innerhalb des auszubildenden Flüssigkeitslichtwellenleiters minimiert wird. Der monotone Verlauf der Krümmung des Mikrokanals und des entsprechenden Flüssigkeitslichtwellenleiters hat weiterhin den entscheidenden Vorteil, dass bei der Lichtleitung nur eine minimale Anzahl von Verlustmoden auftritt und somit die Lichtleitfähigkeit des auszubildenden Flüssigkeitslichtwellenleiters maximiert wird. Vorzugsweise beträgt der minimale Krümmungsradius des gegebenenfalls spiralförmigen Mikrokanals 20 mm, 10 mm oder 5 mm.For the purposes of the present specification, the term "helical" is understood to mean a shape which has at least one complete revolution about a center and whose radius around this center changes monotonically, preferably in proportion to the azimuthal angle. The preferred spiral formation of the microchannel has the advantage that a large number of closely adjacent turns can be provided on the substrate surface. Preferably, adjacent turns have a distance from one another, between 800 and 1500 μm, preferably 800, 900, 1000, 1200 or 1500 μm. Thus, a large surface portion of the substrate surface for the formation of the microchannel can be provided, whereby a large length of the microchannel and a correspondingly long light path can be realized in the liquid optical waveguide to be created. In addition, the curvature of the microchannel, that is the change in the longitudinal direction along the longitudinal direction, changes continuously and monotonically, preferably linearly, maximizing the radius of curvature at each point of the microchannel, avoiding small radii of curvature and thus the flow resistance for the liquid within the mold Liquid optical waveguide is minimized. The monotonous course of the curvature of the microchannel and of the corresponding liquid optical waveguide furthermore has the decisive advantage that only a minimal number of loss modes occurs in the light pipe, and thus the optical conductivity of the liquid optical waveguide to be formed is maximized. Preferably, the minimum radius of curvature of the optionally spiral-shaped microchannel is 20 mm, 10 mm or 5 mm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für den Mikrokanal geschieht das Einwirken des Ätzmediums in mehreren Schritten. Dazwischen wird das Ätzen unterbrochen und das Substrat mit der aufgebrachten Ätzmaske mit einer geeigneten Substanz gespült, beispielsweise mit Wasser. Ein solches schrittweises Ätzen hat den Vorteil, dass die Ätzmaske eine höhere Beständigkeit während des Ätzens aufweist und somit ein Mikrokanal hoher Güte und Tiefe geschaffen werden kann. Vorzugsweise wird für jeden Ätzschritt ein frisches, vollständig unverbrauchtes, gegebenenfalls neu angesetztes Ätzmedium verwendet.In a preferred embodiment of the production method according to the invention for the microchannel, the action of the etching medium takes place in several steps. In between, the etching is interrupted and the substrate with the applied etching mask is rinsed with a suitable substance, for example with water. Such a stepwise etching has the advantage that the etch mask has a higher resistance during the etching and thus a micro channel of high quality and depth can be created. Preferably, for each etching step, a fresh, completely unused, optionally newly prepared etching medium is used.
Nach dem Ätzen wird die Ätzmaske entfernt. Vor dem Schließen des Mikrokanals kann die Innenwand des Mikrokanals noch geglättet werden indem sie mit Hilfe von gasförmiger Flusssäure und gasförmigem Ozon poliert wird.After etching, the etching mask is removed. Before closing the microchannel, the inner wall of the microchannel can be smoothed by polishing it with gaseous hydrofluoric acid and gaseous ozone.
Anschließend wird der geätzte und gegebenenfalls polierte Mikrokanal geschlossen. Dazu wird in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der geätzte Mikrokanal mit einer planaren Abdeckplatte abgedeckt. Anschließend wird die Abdeckplatte auf dem Substrat befestigt und dadurch der geätzte Mikrokanal geschlossen und somit ein geschlossener Mikrokanal ausgebildet. Die Materialien von Substrat und Abdeckplatte können identisch oder auch verschieden sein. Beispielsweise kann eine planare Abdeckplatte aus Quarzglas auf einem Substrat aus Silizium, beispielsweise auf einem Silizium-Wafer durch anodisches Bonden befestigt werden. Alternativ kann die Abdeckplatte auch selbst aus Silizium bestehen und beispielsweise ein weiterer Silizium-Wafer sein, der mittels Silizium-Silizium-Direktbonden (SDR) auf dem geätzten Silizium-Wafer befestigt wird. Auch andere Materialien und Materialkombinationen können durch Bonden oder andere Bonding-Prozesse mechanisch verbunden werden. Alternativ sind alle Befestigungsmethoden geeignet, die eine ausreichend mechanisch stabile Verbindung zwischen Substrat und Abdeckplatte schaffen und dabei eine ausreichende Flüssigkeits- und Lichtdichtheit des geschlossenen Mikrokanals schaffen. Beim anodischen Bonden werden Substrat und Abdeckplatte auf hohe Temperatur gebracht, beispielsweise 500°C, und es wird eine Hochspannung, beispielsweise 1 kV zwischen Substrat und Abdeckplatte angelegt.Subsequently, the etched and possibly polished microchannel is closed. For this purpose, in a first preferred embodiment of the method, the etched microchannel is covered with a planar cover plate. Subsequently, the cover plate is mounted on the substrate and thereby the etched micro-channel closed and thus formed a closed micro-channel. The materials of substrate and cover plate may be identical or different. For example, can a planar cover plate made of quartz glass on a substrate made of silicon, for example, be mounted on a silicon wafer by anodic bonding. Alternatively, the cover plate itself may be made of silicon and, for example, be another silicon wafer, which is attached by means of silicon-silicon direct bonding (SDR) on the etched silicon wafer. Other materials and combinations of materials may also be mechanically bonded by bonding or other bonding processes. Alternatively, all attachment methods are suitable that provide a sufficiently mechanically stable connection between the substrate and cover plate and thereby provide sufficient fluid and light tightness of the closed microchannel. In the case of anodic bonding, the substrate and cover plate are brought to a high temperature, for example 500 ° C., and a high voltage, for example 1 kV, is applied between substrate and cover plate.
In einem weiteren Schritt wird der geschlossene Kanal mit einer niedrigbrechenden Beschichtung versehen. Vorzugsweise besteht die Beschichtung aus Teflon, nanoporösem Siliziumdioxid oder einer nanoporösen Doppelverbindung aus Magnesiumfluorid-Magnesiumoxidhydroxid. Das Beschichtungsmaterial wird in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise FC40, FC75 oder FC77, gelöst und die Lösung in den geschlossenen Mikrokanal eingespritzt. Dazu wird beispielsweise eine geeignet geformte Kanüle in den geschlossenen Mikrokanal eingeführt, die die Lösung mit dem aufzubringenden Beschichtungsmaterial in dem geschlossenen Mikrokanal geeignet verteilt. Anschließend wird der geschlossene Mikrokanal mit gasförmigem Stickstoff gespült.In a further step, the closed channel is provided with a low-refractive coating. The coating preferably consists of Teflon, nanoporous silicon dioxide or a nanoporous double compound of magnesium fluoride-magnesium oxide hydroxide. The coating material is dissolved in a suitable solvent, for example FC40, FC75 or FC77, and the solution injected into the closed microchannel. For this purpose, for example, a suitably shaped cannula is introduced into the closed microchannel, which distributes the solution with the coating material to be applied in the closed microchannel. Subsequently, the closed microchannel is purged with gaseous nitrogen.
Dadurch wird ein geschlossener, beschichteter Mikrokanal geschaffen, der innen hohl ist und bei Befüllung mit einer geeigneten Flüssigkeit, die einen höheren Brechungsindex als die niedrig-brechende Beschichtung aufweist, beispielsweise Wasser, ein Flüssigkeitslichtwellenleiter ausgebildet. Der geschlossene Mikrokanal ist vollständig mit der niedrig-brechenden Beschichtung ausgekleidet.Thereby, a closed, coated microchannel is created, which is hollow inside and, when filled with a suitable liquid having a higher refractive index than the low refractive coating, for example water, a liquid optical waveguide is formed. The closed microchannel is completely lined with the low refractive coating.
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens zur Schaffung eines geschlossenen, beschichteten Mikrokanals, wird vor dem Zusammenfügen von Substrat und Abdeckplatte die Substratoberfläche mit dem geätzten Mikrokanal und die Oberfläche der planaren Abdeckplatte mit einer niedrigbrechenden Beschichtung versehen. Vorzugsweise besteht die Beschichtung aus Teflon, nanoporösem Siliziumdioxid oder einer nanoporösen Doppelverbindung aus Magnesiumfluorid-Magnesiumoxidhydroxid. Dazu wird eine Lösung mit dem aufzubringenden Beschichtungsmaterial, beispielsweise durch Spin-Coating oder Sprüh-Coating, auf die Substratoberfläche mit dem geätzten Mikrokanal und die Oberfläche der planaren Abdeckplatte aufgebracht. Spin-Coating, auch Rotationsbeschichtung genannt, ist ein Verfahren zum Auftragen dünner und gleichmäßiger Schichten bzw. Filme auf einem Substrat. Es eignet sich zum Aufbringen von prinzipiell allen in Lösung vorliegenden Materialien. Das Substrat, beispielsweise ein Silizium-Wafer, wird auf einem Drehteller fixiert und mit einer bestimmten Drehzahl und für eine bestimmte Zeit gedreht. Mit einer Dosiereinrichtung über dem Zentrum des rotierenden Substrats wird eine gewünschte Menge der Lösung aufgebracht, wobei die Lösung gleichmäßig über die Substratoberfläche verteilt und überschüssige Lösung abgeschleudert wird. Bevorzugt wird die Lösung in mehreren Schritten aufgetragen und das Substrat zwischen diesen Schritten erwärmt, so dass das Lösungsmittel verdampft und sich die gegebenenfalls nanoporöse Struktur der Beschichtung bildet. Beim Sprüh-Coating wird ein feiner Nebel aus einem Lösungsmittel mit darin gelöstem Beschichtungsmaterial erzeugt und der sich auf der Substratoberfläche mit dem geätzten Mikrokanal und der Oberfläche der planaren Abdeckplatte niederschlägt. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels bleibt das zuvor in dem Lösungsmittel gelöste Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche zurück. Vorzugsweise geschieht auch das Sprüh-Coating in mehreren Schritten, beispielsweise in vier Schritten, zwischen welchen das Substrat um 90° gedreht und erwärmt wird.In an alternative embodiment of the method for creating a closed, coated microchannel, the substrate surface is provided with the etched microchannel and the surface of the planar cover plate with a low-refractive coating prior to joining substrate and cover plate. The coating preferably consists of Teflon, nanoporous silicon dioxide or a nanoporous double compound of magnesium fluoride-magnesium oxide hydroxide. For this purpose, a solution with the coating material to be applied, for example by spin coating or spray coating, is applied to the substrate surface with the etched microchannel and the surface of the planar cover plate. Spin coating, also called spin coating, is a process for applying thin and uniform layers or films on a substrate. It is suitable for applying in principle all materials present in solution. The substrate, for example, a silicon wafer is fixed on a turntable and rotated at a certain speed and for a certain time. With a metering device over the center of the rotating substrate, a desired amount of the solution is applied, wherein the solution is evenly distributed over the substrate surface and centrifuged excess solution. Preferably, the solution is applied in several steps and the substrate is heated between these steps, so that the solvent evaporates and forms the optionally nanoporous structure of the coating. In spray coating, a fine mist of a solvent with coating material dissolved therein is produced and deposited on the substrate surface with the etched microchannel and the surface of the planar cover plate. After evaporation of the solvent, the coating material previously dissolved in the solvent remains on the surface. Preferably, the spray coating also takes place in several steps, for example in four steps, between which the substrate is rotated by 90 ° and heated.
Anschließend wird das Substrat mit der planaren Abdeckplatte abgedeckt, so dass die jeweiligen niedrig-brechenden Beschichtungen der Substratoberfläche und der planaren Abdeckplatte aufeinander zu liegen kommen. Anschließend werden Substrat und Abdeckplatte durch Erwärmen von Substrat und Abdeckplatte miteinander verklebt. Dabei wird das Substrat und die Abdeckplatte, insbesondere bei Verwendung von Teflon als Beschichtungsmaterial, über die Glastemperatur jedoch nicht über die Zerstörungstemperatur des Beschichtungsmaterials erwärmt. Dadurch verbinden sich die beiden niedrig-brechenden Beschichtungen und es entsteht wiederum ein geschlossener Mikrokanal, der mit einer niedrig-brechenden Beschichtung vollständig ausgekleidet ist.Subsequently, the substrate is covered with the planar cover plate, so that the respective low-refractive coatings of the substrate surface and the planar cover plate come to rest on each other. Substrate and cover plate are then glued together by heating substrate and cover plate. However, the substrate and the cover plate, in particular when using Teflon as coating material, are not heated above the glass transition temperature above the destruction temperature of the coating material. As a result, the two low-refractive coatings combine to form a closed microchannel that is completely lined with a low-refractive coating.
Die niedrig-brechende Beschichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters besitzt eine Dicke von 2 bis 10 μm, insbesondere 2, 3, 4, 5 oder 10 μm, wobei die genannten Einzelwerte Bereichsgrenzen des genannten Wertebereichs darstellen können.The low-refractive coating of the device according to the invention for forming a liquid optical waveguide has a thickness of 2 to 10 .mu.m, in particular 2, 3, 4, 5 or 10 .mu.m, wherein said individual values can represent range limits of said range of values.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters ist in dem Substrat eine Zuleitung ausgebildet, die ein Zu- und Abführen von Flüssigkeit in den geschlossenen Mikrokanal hinein und aus dem geschlossenen Mikrokanal heraus gestattet. Vorzugsweise ist an beiden Enden des Mikrokanals jeweils eine Zuleitung ausgebildet, von denen eine die Flüssigkeit dem geschlossenen Mikrokanal zuführt und die andere die Flüssigkeit aus dem geschlossenen Mikrokanal abführt. Damit kann die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitslichtwellenleiter leicht ausgetauscht werden und insbesondere kann auch während der spektroskopischen Messung ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom vorgesehen sein. Dabei ist es von Vorteil, wenn innerhalb des Flüssigkeitslichtwellenleiters eine laminare Strömung vorliegt und für die spektroskopische Untersuchung störende Turbulenzen in der Flüssigkeit vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zuleitungen bezogen auf die Längsrichtungen des Mikrokanals nicht-axial verlaufen und vorzugsweise mit der Längsrichtung des Mikrokanals am Kreuzungspunkt zwischen Zuleitung und Mikrokanal einen Winkel zwischen 10 und 90 Grad bilden, vorzugsweise 10, 15, 20, 30, 45, 60 oder 90 Grad. Die genannten Einzelwerte können Bereichsgrenzen des genannten Wertebereichs sein.In a preferred embodiment of the device according to the invention for forming a liquid optical waveguide, a feed line is formed in the substrate, which feeds in and out of liquid into the closed microchannel and out of the closed microchannel allowed. Preferably, a supply line is formed at both ends of the microchannel, one of which supplies the liquid to the closed microchannel and the other discharges the liquid from the closed microchannel. Thus, the liquid in the liquid optical waveguide can be easily exchanged and, in particular, a continuous liquid flow can also be provided during the spectroscopic measurement. It is advantageous if there is a laminar flow within the liquid optical waveguide and disturbing turbulence in the liquid is avoided for the spectroscopic examination. This is inventively achieved in that the leads extend non-axially with respect to the longitudinal directions of the microchannel and preferably form an angle between 10 and 90 degrees with the longitudinal direction of the microchannel at the point of intersection between feed line and microchannel, preferably 10, 15, 20, 30, 45, 60 or 90 degrees. The individual values mentioned may be range limits of the stated value range.
Bevorzugt ist auf dem Substrat an zumindest einem Ende des geschlossenen Mikrokanals, vorzugsweise an beiden Enden des geschlossenen Mikrokanals, eine Vorrichtung zum axialen Ein- und/oder Auskoppeln von Licht in den geschlossenen Mikrokanal bzw. aus dem geschlossenen Mikrokanal heraus vorgesehen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum axialen Ein- und Auskoppeln als Aufnahme für einen Lichtwellenleiter ausgebildet, wobei die Aufnahme eine axiale, geradlinige Fortführung des Mikrokanals in dem Substrat bildet. Durch den halbkreisförmigen Querschnitt des Mikrokanals kann ein solcher Lichtwellenleiter, insbesondere ein Ein-Moden-Lichtwellenleiter, geeignet in dem Mikrokanal positioniert werden, insbesondere wenn der Durchmesser des Lichtwellenleiters gleich der Tiefe des Mikrokanals ist. Besonders bevorzugt ist in dem Mikrokanal zwischen dem als Flüssigkeitslichtwellenleiter vorgesehenen, geschlossenen Mikrokanal und dem Lichtwellenleiter ein Element vorgesehen, das ein effektives Ein- und/oder Aus koppeln von Licht gewährleistet. Bevorzugt ist diese Mikrolinse, insbesondere eine GRIN-Linse (Gradient Index).Preferably, on the substrate at at least one end of the closed microchannel, preferably at both ends of the closed microchannel, a device is provided for the axial coupling and / or decoupling of light into the closed microchannel or out of the closed microchannel. Preferably, the device for axial coupling and uncoupling is designed as a receptacle for an optical waveguide, wherein the receptacle forms an axial, rectilinear continuation of the microchannel in the substrate. Due to the semicircular cross-section of the microchannel, such an optical waveguide, in particular a single-mode optical waveguide, can be suitably positioned in the microchannel, in particular if the diameter of the optical waveguide is equal to the depth of the microchannel. Particularly preferably, an element is provided in the microchannel between the liquid micro waveguide provided as a closed, closed microchannel and the optical waveguide, which ensures an effective on and / or off coupling of light. This microlens, in particular a GRIN lens (gradient index), is preferred.
Alternativ kann die Vorrichtung zum axialen Ein- und/oder Auskoppeln von Licht in den geschlossenen Mikrokanal als Umlenkeinheit ausgestaltet sein, die Licht aus Richtung der Abdeckplatte axial in den geschlossenen Mikrokanal und/oder Licht aus dem geschlossenen Mikrokanal in Richtung der Abdeckplatte umlenkt. Dies gestattet ein Ein- und/oder Auskoppeln von Licht in den geschlossenen Mikrokanal auch ohne Lichtwellenleiter. Dabei weist die Abdeckplatte geeignete Aussparungen auf oder ist lichtdurchlässig, was beispielsweise durch eine Abdeckplatte aus Quarzglas erreicht werden kann. Die Umlenkeinheit kann beispielsweise ein in dem Substrat angeordneter Mikrospiegel sein.Alternatively, the device for the axial coupling and / or decoupling of light into the closed microchannel can be designed as a deflection unit which deflects light from the direction of the cover plate axially into the closed microchannel and / or light out of the closed microchannel in the direction of the cover plate. This allows a coupling and / or decoupling of light in the closed microchannel even without optical fibers. In this case, the cover plate on suitable recesses or is translucent, which can be achieved for example by a cover plate made of quartz glass. The deflection unit can be, for example, a micromirror arranged in the substrate.
Eine lichtdurchlässige, transparente Abdeckplatte, beispielsweise aus Quarzglas, hat den Vorteil, dass dadurch der geschlossene Mikrokanal auch transversal durchstrahlt werden kann. Dies ist beispielsweise für Fluoreszenz- und Ramanmessungen vorteilhaft, wie weiter unten näher erläutert.A translucent, transparent cover plate, for example made of quartz glass, has the advantage that the closed microchannel can thereby also be transversely penetrated. This is advantageous, for example, for fluorescence and Raman measurements, as explained in more detail below.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters ist auf der zumindest einen Flüssigkeits-Zuleitung des Substrats ein Mikromischer und/oder eine Mikropumpe ausgebildet. Dadurch kann die Vorrichtung und auch die resultierende Messvorrichtung zum einen weiter miniaturisiert werden. Zum anderen gestattet das Vorsehen eines Mikromischers die Zuleitung von zwei verschiedenen Flüssigkeiten, wodurch der Freiheitsgrad bei der Ausgestaltung des Messverfahrens steigt.In a preferred embodiment of the device for forming a liquid optical waveguide, a micromixer and / or a micropump is formed on the at least one liquid feed line of the substrate. As a result, the device and also the resulting measuring device can be further miniaturized on the one hand. On the other hand, the provision of a micromixer allows the supply of two different liquids, whereby the degree of freedom in the design of the measuring method increases.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst zusätzlich zu der beschriebenen Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor sowie eine erste Flüssigkeitspumpe, die dem geschlossenen Mikrokanal über die zumindest eine Zuleitung eine Probenflüssigkeit zuführt. Der mit der Probenflüssigkeit gefüllte, geschlossene Mikrokanal bildet einen Flüssigkeitslichtwellenleiter. In der Probenflüssigkeit liegt die spektroskopisch nachzuweisende Substanz in gelöster Form vor. Die Probenflüssigkeit ist vorzugsweise eine wässrige Lösung, das heißt der Brechungsindex der Probenflüssigkeit entspricht im Wesentlichen dem Brechungsindex von Wasser. Die Lichtquelle ist dabei eingerichtet, den geschlossenen Mikrokanal mit Licht zu durchstrahlen.In addition to the described apparatus for forming a liquid optical waveguide, the measuring device according to the invention comprises a light source, a light detector and a first liquid pump, which supplies a sample liquid to the closed microchannel via the at least one feed line. The filled with the sample liquid, closed microchannel forms a liquid optical waveguide. The substance to be detected by spectroscopy is in dissolved form in the sample liquid. The sample liquid is preferably an aqueous solution, that is, the refractive index of the sample liquid substantially corresponds to the refractive index of water. The light source is set up to irradiate the closed microchannel with light.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist diese zur Durchführung von Transmissions- bzw. Absorptionsmessungen eingerichtet. Dazu wird das Licht der Lichtquelle axial in den geschlossenen Mikrokanal bzw. den Flüssigkeitslichtwellenleiter eingekoppelt. Dies kann über einen Lichtwellenleiter geschehen. In diesem Fall kann die Abdeckplatte lichtundurchlässig sein und beispielsweise ebenfalls ein Silizium-Wafer sein. Alternativ kann die axiale Einkopplung des Lichtes der Lichtquelle auch durch die oben beschriebene Umlenkeinheit verwirklicht werden, wobei in diesem Fall die Abdeckplatte geeignete Aussparungen aufweist und/oder lichtdurchlässig ist. In an sich analoger Weise wird das transmittierte Licht am anderen Ende des Mikrokanals dem Lichtdetektor zugeführt, wobei dies wiederum mit Hilfe eines Lichtwellenleiters oder einer geeigneten Umlenkeinheit geschehen kann.In a first embodiment of the measuring device according to the invention, this is set up to carry out transmission or absorption measurements. For this purpose, the light of the light source is coupled axially into the closed microchannel or the liquid optical waveguide. This can be done via an optical fiber. In this case, the cover plate may be opaque and, for example, also be a silicon wafer. Alternatively, the axial coupling of the light of the light source can also be realized by the deflection unit described above, in which case the cover plate has suitable recesses and / or is translucent. In an analogous manner, the transmitted light at the other end of the microchannel is fed to the light detector, which in turn can be done with the aid of an optical waveguide or a suitable deflection unit.
Je nach dem gewählten Messverfahren ist das Licht der Lichtquelle monochromatisch oder breitbandig und liegt im UV- und/oder sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich. Ebenso kann das transmittierte Licht vollständig dem Lichtdetektor zugeleitet werden, oder es kann spektral gefiltert oder aufgespalten werden, beispielsweise über Wellenlängenfilter oder eine spektrometrische Einheit. Bei breitbandiger Einstrahlung von Licht und anschließender spektraler Aufspaltung des transmittierten Lichts kann dieses verschiedenen Lichtdetektoren zugeführt werden, wodurch zeitgleich mehrere Messungen bei verschiedenen Wellenlängen parallel durchgeführt werden können und somit verschiedene gelöste Stoffe zeitgleich gemessen werden können. Depending on the chosen measuring method, the light of the light source is monochromatic or broadband and lies in the UV and / or visible (VIS) wavelength range. Likewise, the transmitted light can be completely supplied to the light detector, or it can be spectrally filtered or split, for example via wavelength filters or a spectrometric unit. In broadband irradiation of light and subsequent spectral splitting of the transmitted light this different light detectors can be supplied, whereby at the same time several measurements at different wavelengths can be performed in parallel and thus different solutes can be measured simultaneously.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung gibt die Lichtquelle monochromatisches Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich ab und der Lichtdetektor detektiert das gesamte transmittierte Licht ohne vorherige spektrale Filterung. In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung geschieht die Ein- und Auskopplung über die oben genannten Umlenkeinheiten, wodurch die Lichtquelle und der Lichtdetektor direkt auf dem Substrat oder der Abdeckplatte der Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters angeordnet werden können. Für eine solche Ausgestaltung eignen sich besonders LED-Dioden oder Halbleiter-Laser-Dioden als Lichtquelle und Photodioden beispielsweise Avalanche-Photodioden als Lichtdetektor, welche als Bauteile mit geringen äußeren Abmessungen zur Verfügung stehen. Dadurch wird die erfindungsgemäße Messvorrichtung weiter miniaturisiert. Eine Avalanche-Photodioden, auch Lawinen-Photodioden genannt, sind hochempfindliche und schnelle Photodioden, die den Lawinen-Durchbruch (Avalanche-Effekt) nutzen, der auch in Zener-Dioden verwendet wird.In a particularly preferred embodiment, the light source emits monochromatic light in the visible wavelength range and the light detector detects the entire transmitted light without prior spectral filtering. In a further preferred embodiment, the coupling and decoupling via the above-mentioned deflection units, whereby the light source and the light detector can be arranged directly on the substrate or the cover plate of the apparatus for forming a liquid optical waveguide. Particularly suitable for such an embodiment are LED diodes or semiconductor laser diodes as a light source and photodiodes, for example avalanche photodiodes as a light detector, which are available as components with small external dimensions. As a result, the measuring device according to the invention is further miniaturized. Avalanche photodiodes, also called avalanche photodiodes, are high-sensitivity and fast photodiodes that use the avalanche breakdown (avalanche effect) that is also used in zener diodes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Abdeckplatte der Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters lichtdurchlässig und vorzugsweise aus Quarzglas gebildet und besonders bevorzugt mit einer für das eingestrahlt Licht, beispielsweise für UV-Licht, anti-reflektierenden Beschichtung versehen. Somit kann Licht der Lichtquelle, die vorzugsweise eine Anregungslichtquelle ist, transversal, das heißt senkrecht zur Längsrichtung des Mikrokanals, durch die Abdeckplatte hindurch eingestrahlt werden, wobei durch die Total- bzw. Fresnell-Reflexion an den beschichteten Kanalwänden Licht mit hoher Ausbeute in den Flüssigkeitslichtwellenleiter eingekoppelt wird. Diese Anordnung eignet sich für Fluoreszenz- und Ramanmessungen, wobei das in der Probenflüssigkeit erzeugte Fluoreszenzlicht durch den Flüssigkeitslichtwellenleiter gesammelt wird und zu den Enden des Flüssigkeitslichtwellenleiters geleitet wird. In dieser Ausgestaltung wird vorzugsweise UV-Licht eingestrahlt und das Fluoreszenzlicht axial ausgekoppelt und nach gegebenenfalls spektraler Filterung dem Lichtdetektor zugeführt. Dabei kann auf eine spektrale Filterung des Anregungslichts und somit auf ein entsprechendes Filterelement verzichtet werden, da das transversal eingestrahlte Anregungslicht einen großen Auftreffwinkel auf die Beschichtung des Mikrokanals aufweist, so dass keine Totalreflexion stattfindet. Entsprechend wird das Anregungslicht auch nicht durch den Flüssigkeitslichtwellenleiter zum Lichtdetektor geleitet.In a further preferred embodiment, the cover plate of the device for forming a liquid optical waveguide is translucent and preferably made of quartz glass and particularly preferably provided with a for the irradiated light, for example for UV light, anti-reflective coating. Thus, light of the light source, which is preferably an excitation light source, transversely, that is perpendicular to the longitudinal direction of the microchannel, are irradiated through the cover plate, wherein by the total or Fresnell reflection on the coated channel walls light with high yield in the liquid optical waveguide is coupled. This arrangement is suitable for fluorescence and Raman measurements wherein the fluorescent light generated in the sample liquid is collected by the liquid optical waveguide and directed to the ends of the liquid optical waveguide. In this embodiment, preferably UV light is irradiated and the fluorescent light is coupled out axially and fed to the light detector after optionally spectral filtering. In this case, a spectral filtering of the excitation light and thus a corresponding filter element can be dispensed with, since the transversely irradiated excitation light has a large angle of incidence on the coating of the microchannel, so that no total reflection takes place. Accordingly, the excitation light is also not passed through the liquid optical waveguide to the light detector.
Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Messverfahren können bei Transmissions- und Absorptionsmessungen verschiedenste Substanzen anhand charakteristischer Absorptionsbanden nachgewiesen werden. Je nach nachzuweisender Substanz wird das Licht der Lichtquelle sowie eine eventuelle spektrale Filterung des eingestrahlten Lichts ausgewählt. Beispielsweise können organische Lösungsmittel wie Aceton, Benzopyren, Benzol oder Anionen wie Nitrat oder Phosphat nachgewiesen werden, die charakteristische Absorptionsbanden im nahen UV-Bereich aufweisen. Ebenso können organische Stoffe mit konjugiertem π-System nachgewiesen werden, die typischerweise Absorptionsbanden im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweisen. Ebenso weist Ni2+ eine charakteristische Absorptionsbande bei 670 nm auf.With the measuring device according to the invention and the measuring method according to the invention, a wide variety of substances can be detected on the basis of characteristic absorption bands during transmission and absorption measurements. Depending on the substance to be detected, the light of the light source as well as a possible spectral filtering of the incident light is selected. For example, organic solvents such as acetone, benzopyrene, benzene or anions such as nitrate or phosphate can be detected, which have characteristic absorption bands in the near UV range. Similarly, conjugated π-system organic compounds can be detected, which typically have absorption bands in the visible wavelength range. Likewise, Ni 2+ has a characteristic absorption band at 670 nm.
In der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist die Flüssigkeitspumpe, die die Probenflüssigkeit dem geschlossenen Mikrokanal zuführt, vorzugsweise auf dem Substrat der Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters als Mikropumpe integriert. Dadurch kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung weiter miniaturisiert werden.In the measuring device according to the invention, the liquid pump which supplies the sample liquid to the closed microchannel is preferably integrated on the substrate of the device for forming a liquid optical waveguide as a micropump. As a result, the measuring device according to the invention can be further miniaturized.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Messvorrichtung ist diese ausgebildet, dem geschlossenen Mikrokanal neben der Pumpenflüssigkeit auch eine zweite Nachweisflüssigkeit zuzuführen. Diese beiden Flüssigkeiten werden vor dem Einleiten in den geschlossenen Mikrokanal gemischt, was vorzugsweise über einen Mikromischer geschieht, der in dem Substrat der Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters integriert ist. Die Nachweisflüssigkeit wird über eine weitere Flüssigkeitspumpe dem Mikromischer zugeführt, wobei das Mischungsverhältnis von Probenflüssigkeit und Nachweisflüssigkeit über die beiden Flüssigkeitspumpen eingestellt werden kann. Bevorzugt sind beide Flüssigkeitspumpen als Mikropumpen auf dem Substrat der Vorrichtung zur Ausbildung eines Flüssigkeitslichtwellenleiters integriert, was die erfindungsgemäße Messvorrichtung weiter miniaturisiert.In a further preferred embodiment of the measuring device, this is designed to supply the closed microchannel in addition to the pump liquid and a second detection liquid. These two liquids are mixed prior to introduction into the closed microchannel, which preferably occurs via a micromixer integrated in the substrate of the apparatus for forming a liquid optical waveguide. The detection fluid is supplied to the micromixer via a further fluid pump, wherein the mixing ratio of sample fluid and detection fluid can be adjusted via the two fluid pumps. Preferably, both liquid pumps are integrated as micropumps on the substrate of the device for forming a liquid optical waveguide, which further miniaturizes the measuring device according to the invention.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens werden Metallionen nachgewiesen. Eine direkte Beobachtung solcher Metallionen mittels Absorptionsmessung ist im Allgemeinen nicht möglich, da Metallionen typischerweise Absorptionsbanden im tiefen UV-Bereich aufweisen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens lösen diese Metallionen eine Nachweisreaktion aus, wobei das Produkt der Nachweisreaktion über eine Absorptionsmessung nachgewiesen werden kann. Dazu wird dem geschlossenen Mikrokanal neben der Probenflüssigkeit, die die nachzuweisenden Metallionen enthält, auch eine Nachweisflüssigkeit zugeführt, in der ein geeigneter Komplexbildner gelöst ist. Bei Mischung der Proben und der Nachweisflüssigkeit im Mikromischer, gehen die Metallionen Koordinationsverbindungen mit dem Komplexbildner ein, wobei die resultierenden Metallkomplexe erlaubte Charge-Transfer-Übergänge mit großen Extinktionskoeffizienten ε aufweisen, die eine starke Absorption im sichtbaren Wellenlängenbereich besitzen. In diesem Fall kann der Nachweis von Metallionen in vorteilhafter Weise über die Absorption von monochromatischem, sichtbaren Licht geschehen. Eine weitere spektrale Filterung vor dem Lichtdetektor ist dabei vorteilhafterweise nicht notwendig.In a particularly preferred embodiment of the measuring method according to the invention, metal ions are detected. A direct observation of such metal ions by means of Absorbance measurement is generally not possible because metal ions typically have low UV absorption bands. In a preferred embodiment of the measuring method according to the invention, these metal ions trigger a detection reaction, wherein the product of the detection reaction can be detected by means of an absorption measurement. For this purpose, in addition to the sample liquid containing the metal ions to be detected, the closed microchannel is also supplied with a detection liquid in which a suitable complexing agent is dissolved. When mixing the samples and the detection liquid in the micromixer, the metal ions enter into coordination compounds with the complexing agent, the resulting metal complexes having allowed charge-transfer transitions with large extinction coefficients ε, which have a strong absorption in the visible wavelength range. In this case, the detection of metal ions can be done advantageously via the absorption of monochromatic visible light. A further spectral filtering in front of the light detector is advantageously not necessary.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Messverfahrens werden Cu2+-Ionen nachgewiesen und als Komplexbildner 1,10-Phenanthrolin (C12H8N2) verwendet. Der resultierende Metallkomplex besitzt eine Absorption bei 650 nm. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden Fe2+-Ionen nachgewiesen, welche mit 1,10-Phenanthrolin als Komplexbildner ein Metallkomplex bilden, der eine Absorption bei 510 nm besitzt. Ebenso können Fe2+-Ionen mit 3-(2-Pyridyl)-5,6-bis(4-phenyl-sulfonsäure)-1,2,4-triazine-5',5''-Dinatriumsalz (C16H8N4Na2O8S2) als Komplexbildner nachgewiesen werden, wobei der resultierende Komplex eine Absorption bei 567 nm zeigt.In a first preferred embodiment of the measuring method, Cu 2+ ions are detected and used as complexing agent 1,10-phenanthroline (C 12 H 8 N 2 ). The resulting metal complex has an absorption at 650 nm. In a further preferred embodiment, Fe 2+ ions are detected, which form a metal complex with 1,10-phenanthroline as a complexing agent, which has an absorption at 510 nm. Likewise, Fe 2+ ions can be reacted with 3- (2-pyridyl) -5,6-bis (4-phenylsulfonic acid) -1,2,4-triazine-5 ', 5 "-disodium salt (C 16 H 8 N 4 Na 2 O 8 S 2 ) can be detected as a complexing agent, the resulting complex showing an absorption at 567 nm.
Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft anhand der begleitenden Figuren erläutert. Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, die die Erfindung in keiner Weise beschränken. Die gezeigten Figuren sind schematische Darstellungen, die die realen Proportionen nicht widerspiegeln, sondern einer verbesserten Anschaulichkeit der verschiedenen Ausführungsbeispiele dienen.Further exemplary embodiments and advantages of the invention are explained below by way of example with reference to the accompanying figures. The examples represent preferred embodiments which in no way limit the invention. The figures shown are schematic representations that do not reflect the real proportions, but serve an improved clarity of the various embodiments.
Im Einzelnen zeigen die Figuren:In detail, the figures show:
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Dem Flüssigkeitslichtwellenleiter wird über Zuleitungen
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Die Verwendung von Komplexen zum Nachweis von Metallionen, hat zum einen den Vorteil, dass die charakteristische Absorption des gebildeten Komplexes im sichtbaren Spektralbereich liegt. Dadurch können als Lichtquelle Leuchtdioden (LED) oder Halbleiterlaser verwendet werden, die als kostengünstige Bauteile mit kleinen Abmessungen verfügbar sind und monochromatisches Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich abgeben können. Das monochromatische Licht ist typischerweise ausreichend schmalbandig, so dass das gesamte Licht ohne vorherige spektrale Filterung für die Absorptionsmessung verwendet werden und von einem Lichtdetektor ohne weitere spektrale Filterung detektiert werden kann. Dadurch können sowohl als Lichtquelle wie auch als Lichtdetektor Bauteile mit kleinen äußeren Abmessungen verwendet werden, die vorteilhaft direkt auf dem Silizium-Wafer oder einer darüberliegenden Abdeckplatte angeordnet werden können. Damit ist es in Summe möglich, eine Vielzahl der für die Zuleitung von Flüssigkeiten und Licht notwendigen Vorrichtungen auf dem Substrat zu integrieren und somit die Messvorrichtung wesentlich zu miniaturisieren.The use of complexes for detecting metal ions has the advantage that the characteristic absorption of the complex formed is in the visible spectral range. As a result, light-emitting diodes (LED) or semiconductor lasers can be used as light source, which are available as inexpensive components with small dimensions and can deliver monochromatic light in the visible wavelength range. The monochromatic light is typically sufficiently narrow band that all the light without prior spectral filtering can be used for the absorption measurement and can be detected by a light detector without further spectral filtering. As a result, it is possible to use components with small external dimensions both as a light source and as a light detector, which can advantageously be arranged directly on the silicon wafer or on an overlying cover plate. This makes it possible in total to integrate a variety of necessary for the supply of liquids and light devices on the substrate and thus to miniaturize the measuring device significantly.
Die Verwendung von Komplexbildern zum Nachweis von Metallionen hat den Vorteil, dass charakteristische Absorptionsbanden im sichtbaren Spektralbereich geschaffen werden. Vor allem ist deren Extinktion deutlich stärker als die Extinktion von den Metallionen selbst. Damit kann die Nachweisgrenze für Metallionen signifikant gesenkt werden. Auch durch die große Kanallänge des Mikrokanals
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Zur zusätzlichen Glättung der Oberfläche des Mikrokanals, kann bei Bedarf der Mikrokanal mit einem Gasgemisch aus Flusssäure und Ozon bearbeitet werden. Dabei wird das Gas über ein Düsenarray gleichmäßig über den gesamten Wafer verteilt. Dieser resultierende Polierabtrag beträgt 1–2 μm.For additional smoothing of the surface of the microchannel, if required, the microchannel can be processed with a gas mixture of hydrofluoric acid and ozone. The gas is distributed over a nozzle array evenly over the entire wafer. This resulting polishing removal is 1-2 μm.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht das Ätzen des Mikrokanals
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Der Mikromischer besitzt nicht notwendigerweise einen symmetrischen Aufbau. Er kann vielmehr auf die geplante Anwendung optimiert werden und dazu auf beiden Seiten, das heißt in dem Teil der der Zuleitung der Probenflüssigkeit
In dem in
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Die in den
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3175921A1 (en) * | 2015-12-04 | 2017-06-07 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas | Biophotonic devices and methods of their use |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009048384A1 (en) * | 2009-10-06 | 2011-04-07 | Hochschule Regensburg | Miniaturized online trace analysis |
CN102590092B (en) * | 2012-03-07 | 2013-09-25 | 哈尔滨工业大学 | Absorption optical path lengthening device and method for laser absorption spectroscopy technology |
CN110579435B (en) | 2012-10-15 | 2023-09-26 | 纳诺赛莱克特生物医药股份有限公司 | System, apparatus and method for particle sorting |
DE102015218095A1 (en) | 2015-01-08 | 2016-07-14 | Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg | Device for inline trace analysis of a liquid |
CN106390882B (en) * | 2016-10-31 | 2020-04-14 | 山东豪迈化工技术有限公司 | Micro-reaction unit and micro-reactor |
US10429303B2 (en) * | 2017-03-24 | 2019-10-01 | International Business Machines Corporation | Portable and autonomous, IoT enabled, optical measurement system |
TWI658264B (en) * | 2017-09-07 | 2019-05-01 | 財團法人工業技術研究院 | Optical micro-particle detector |
DE102018205529A1 (en) * | 2018-04-12 | 2019-10-17 | Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM) | Filter substrate for filtering and optical characterization of microparticles, method for producing the filter substrate and use of the filter substrate |
FR3090874B1 (en) * | 2018-12-21 | 2022-05-27 | Commissariat Energie Atomique | Optical particle detector |
CN113877642A (en) * | 2021-08-24 | 2022-01-04 | 杭州电子科技大学 | Paper-based micro-channel sweat flow monitoring chip structure and preparation method thereof |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6246825B1 (en) * | 1997-04-22 | 2001-06-12 | British Telecommunications Plc | Liquid filled optical waveguide |
DE10002354A1 (en) * | 2000-01-20 | 2001-08-09 | Wacker Siltronic Halbleitermat | Process for the production of a semiconductor wafer |
US6385380B1 (en) * | 1998-04-21 | 2002-05-07 | World Precision Instruments, Inc. | Hollow optical waveguide for trace analysis in aqueous solutions |
DE102005028166A1 (en) * | 2005-06-17 | 2005-11-24 | Siltronic Ag | Treating a semiconductor wafer comprises using a system held by rollers which hold the wafer in a region of their edges so that an etching medium flows against the edge of the wafer |
EP1605287A2 (en) * | 2002-01-29 | 2005-12-14 | Qinetiq Limited | Optical circuit device and fabrication method |
US20070263477A1 (en) * | 2006-05-11 | 2007-11-15 | The Texas A&M University System | Method for mixing fluids in microfluidic channels |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1994021372A1 (en) * | 1993-03-19 | 1994-09-29 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Integrated chemical processing apparatus and processes for the preparation thereof |
US5444807A (en) * | 1993-03-29 | 1995-08-22 | World Precision Instruments, Inc. | Micro chemical analysis employing flow through detectors |
AU3873599A (en) * | 1998-05-01 | 1999-11-23 | University Of South Florida | Liquid core waveguide |
US6542231B1 (en) * | 2000-08-22 | 2003-04-01 | Thermo Finnegan Llc | Fiber-coupled liquid sample analyzer with liquid flow cell |
US20050129580A1 (en) * | 2003-02-26 | 2005-06-16 | Swinehart Philip R. | Microfluidic chemical reactor for the manufacture of chemically-produced nanoparticles |
CN1242072C (en) * | 2004-05-27 | 2006-02-15 | 上海交通大学 | Spiral microchannel polymerase chain reacting chip |
US7653281B2 (en) * | 2004-09-02 | 2010-01-26 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | Embedded channels, embedded waveguides and methods of manufacturing and using the same |
US20100314327A1 (en) * | 2009-06-12 | 2010-12-16 | Palo Alto Research Center Incorporated | Platform technology for industrial separations |
DE102009048384A1 (en) * | 2009-10-06 | 2011-04-07 | Hochschule Regensburg | Miniaturized online trace analysis |
-
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6246825B1 (en) * | 1997-04-22 | 2001-06-12 | British Telecommunications Plc | Liquid filled optical waveguide |
US6385380B1 (en) * | 1998-04-21 | 2002-05-07 | World Precision Instruments, Inc. | Hollow optical waveguide for trace analysis in aqueous solutions |
DE10002354A1 (en) * | 2000-01-20 | 2001-08-09 | Wacker Siltronic Halbleitermat | Process for the production of a semiconductor wafer |
EP1605287A2 (en) * | 2002-01-29 | 2005-12-14 | Qinetiq Limited | Optical circuit device and fabrication method |
DE102005028166A1 (en) * | 2005-06-17 | 2005-11-24 | Siltronic Ag | Treating a semiconductor wafer comprises using a system held by rollers which hold the wafer in a region of their edges so that an etching medium flows against the edge of the wafer |
US20070263477A1 (en) * | 2006-05-11 | 2007-11-15 | The Texas A&M University System | Method for mixing fluids in microfluidic channels |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3175921A1 (en) * | 2015-12-04 | 2017-06-07 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas | Biophotonic devices and methods of their use |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102713563A (en) | 2012-10-03 |
EP2486388A1 (en) | 2012-08-15 |
WO2011042439A1 (en) | 2011-04-14 |
US8948563B2 (en) | 2015-02-03 |
CN102713563B (en) | 2015-09-23 |
US20120257193A1 (en) | 2012-10-11 |
EP2486388B1 (en) | 2014-01-08 |
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